자동화 시스템의 적용 산업 범위가 확장되며 현대 생활에서 더욱 중요해지고 있다. 자동화가 농기계, 제조·가공 작업자가 사용하는 로봇, 드론에 적용되면서 머신비전 시스템은 신규 어플리케이션에 구축되고 있다.
충격, 진동, 물, 습도, 오염 물질, 온도 변화 등 노출 조건이 열악한 경우가 많다. 머신비전 렌즈는 고객이 기대하는 것보다 더 견고하지만, 새로운 어플리케이션에 구축해야 할 경우 2차 강건설계가 필요할 수 있다.
이를 위한 까다로운 조건을 통과할 수 있는 머신 비전 렌즈가 등장하면서, 자동화 시스템은 고성능과 동시에 모든 환경을 극복할 수 있게 됐다.
추가적으로 강건설계를 적용해야 하는 이유
기존의 머신비전 렌즈는 공장 환경으로 인한 마모를 견딜 수 있게 설계됐다. 설계 당시 렌즈를 기계에 장착하거나, 트럭에 싣거나 등의 충격, 진동, 오염 물질 등에 노출된 상태도 견딜 수 있게 제조되지는 않았다. 그러나 공장 환경은 다른 환경과 달리 열악하더라도 제어가 가능한 것이 특징이다.
기존의 머신비전 렌즈다중 리프 조리개로 구경을 조절하고 이중 스레드 포커스 메커니즘을 통해 렌즈를 자유자재로 움직여 각각의 어플리케이션에 맞게 사용한다.(그림 1)
고정되어 있지 않은 부품이 충격이나 진동 때문에 본래 위치에서 벗어나면 픽셀 이동이나 해상도 저하가 예기치 않게 발생할 수 있다.
렌즈 어셈블리에 물이나 다른 오염 물질이 들어가면 렌즈를 사용할 수 없거나 렌즈 후면에 있는 카메라 센서가 손상될 수 있다. 온도 변화는 글래스 렌즈와 금속 하우징의 팽창 혹은 수축으로 이어지고 그 결과 포커스 위치가 달라지면 시스템의 포커스를 재조정해야 할 수도 있다.
자동화 기술의 발전으로 머신비전 시스템을 더 극한의 환경에서 사용할 수 있게 됐지만 이때 렌즈의 성능이 저하되거나 렌즈를 아예 사용할 수 없게 된다는 점이 문제다. 자동화 농기계가 이러한 경우에 해당하는데 울퉁불퉁한 지형을 지날 때 발생하는 충격이나 진동, 공기 중의 물기나 습기, 날씨로 인한 온도 변화 등에 노출된다.
산업 등급의 강건설계로 렌즈 복잡성 최소화
산업 등급의 강건설계는 렌즈 메커니즘을 단순화 및 간소화해 더 가볍고 컴팩트하게 구현했다. 설정 후 자동 수행(set-and-forget)이 필요한 기기나 OEM 어플리케이션과 통합하는 데 적합하다.
충격이나 진동이 발생했을 때 포커스와 f/#가 유지되며 고정되어 있지 않은 부품의 수가 줄었다. 결과적으로 산업 등급의 강건설계 렌즈는 기존 렌즈보다 가격이 합리적이다.
조절식 다중 리프 조리개 대신 고정식 구경 조리개를 사용했으며, 부피가 큰 이중 스레드 포커스 메커니즘 대신 단일 스레드 포커스 메커니즘을 적용했다. 산업 등급의 강건설계 렌즈가 기존 렌즈보다 가격이 합리적이고 충격과 진동에 강하다는 장점이 있지만, 렌즈 파라미터는 자유자재로 조절하기 어렵다는 단점도 존재한다.
안정성 등급의 강건설계로 충격과 진동으로부터 렌즈 보호
안성성 등급의 강건설계는 산업 등급의 강건설계를 토대로 구현해 충격과 진동으로부터 렌즈를 보호한다. 광학적 포인팅 안정성을 유지하기 위해 어셈블리 내 모든 글레스 요소를 고정처리했다.
기존 렌즈의 경우 충격이나 진동이 발생하면 내부 렌즈 요소에서 디센터 현상이 나타나 이미지가 다른 픽셀로 이동할 수 있었다. 모든 요소를 고정 처리하면 픽셀 이동을 방지할 수 있고, 극한의 환경에서도 성능을 유지할 수 있다.
방수방진 등급의 강건설계로 방수 어셈블리 구현
방수방진 등급의 강건설계는 렌즈에 씰링 처리를 가능케해 물이나 고체 입자가 하우징에 들어가지 않게 해준다. 기존 렌즈의 경우 고정되어 있지 않은 부품으로 씰링 손상될 수 있었다. 이를 방지하기 위해 산업 등급의 강건설계를 적용한 렌즈에 O링으로 씰링 처리했다.
에드몬드옵틱스표 방수방진 등급의 강건설계 렌즈는 방수 제품으로 IEC(International Electrotechnical Commission) 방수방진 규정 중 IPX7 및 IPX9K 등급을 준수한다. 이 렌즈를 방수 카메라 및 조명과 사용하면 전체 이미징 시스템을 보호할 수 있다.
높은 온도에서도 변하지 않는 비열식 강건설계
글래스 렌즈 요소와 금속 하우징은 열에 의한 팽창과 수축을 반복하면 머신 비전 렌즈에서 초점 이동이 발생한다. 이런 문제로 항공우주 분야 어플리케이션이나 온도 변화에 계속해서 노출되는 머신 비전 시스템은 특히 취약하다.
렌즈 어셈블리를 비열화하는 방식은 기구적 능동 비열화와 광학적 수동 비열화가 있다. 기구적 능동 비열화는 피드백 루프와 모터를 사용해 하우징 내 렌즈 요소의 위치를 물리적으로 조정해 여롤 인한 초점 이동을 보정한다.
광학적 수동 비열화는 정교한 설계와 적절한 소재 선택이 수반돼야 한다. 이때 렌즈 요소를 조정하지 않아도 온도 변화 내내 렌즈 성능이 일정 수준을 유지한다. 광학적 수동 비열화 렌즈는 여러 단계를 거쳐 설계됐으며, 열 변화로 인한 영향을 최소화했다.
에드몬트옵틱스의 비열식 강건설계 렌즈는 희귀하거나 고가의 글래스를 사용하지 않았고 광학적 수동 비열화가 적용될 수 있는 온도는 10°C - 50°C다. 시스템 비용이나 복잡성이 불필요하게 증가하지 않고, 일정 수준 이상의 온도 범위를 유지한다.
헬로티 함수미 기자 |
